Hacia los estados topológicos magnéticos de la materia: mnbi4te7, un compuesto que ofrece un orden electrónico topológico y una red de magnetización intrínseca

Estructura electrónica de la superficie de MnBi4Te7 (0001) medida con ARPES. (a) Conjunto de datos resumen de la estructura de banda de valencia obtenida en T = 8 K que muestra los característicos estados de superficie SS1 y SS2 y una característica relacionada con los estados Mn 3d. (b),(c),(f) Conjuntos de datos de alta resolución de la estructura electrónica cercana a EF obtenidos a diferentes energías de fotones y una temperatura de T = 8 K, mostrando un estado de superficie topológica (TSS) en el espacio entre la conducción y los estados derivados de la banda de valencia (BCB y BVB). (d) Dependencia fotón-energía de la intensidad ARPES a EF (T=8 K) (e) Igual que en (f), pero para T = 80 K. (g) Igual que en (f), pero para una terminación de capa séptuple (SL). ARPES. (a) Conjunto de datos resumen de la estructura de banda de valencia obtenida en T = 8 K que muestra los característicos estados de superficie SS1 y SS2 y una característica relacionada con los estados Mn 3d. (b),(c),(f) Conjuntos de datos de alta resolución de la estructura electrónica cercana a EF obtenidos a diferentes energías de fotones y una temperatura de T = 8 K, mostrando un estado de superficie topológica (TSS) en el espacio entre la conducción y los estados derivados de la banda de valencia (BCB y BVB). (d) Dependencia fotón-energía de la intensidad ARPES a EF (T=8 K) (e) Igual que en (f), pero para T = 80 K. (g) Igual que en (f), pero para una terminación de capa séptuple (SL).

Tras el descubrimiento experimental del primer aislante topológico (Bi2Te3) en 2009, la revelación del MnBi4Te7 10 años después es otro gran hito en este campo de investigación. Este material presenta un orden electrónico topológico que coexiste con una red de magnetización intrínseca a bajas temperaturas. El hallazgo ha sido descubierto por una colaboración internacional formado por equipos de las universidades e institutos de investigación en Würzburg y Dresden, y ha sido corroborado por las mediciones en los sincrotrones Diamond (Reino Unido), ALS (EE.UU.), Petra III-Desy (Alemania) y ALBA.

Los aislantes topológicos, materiales novedosos que conducen electricidad en sus superficies pero que se comportan como aislantes en su interior, deben sus peculiares propiedades a un efecto conocido como inversión de banda, donde las bandas normales de conducción y valencia se intercambian espacialmente. Se cree que la magnetización podría controlar esta inversión de banda, ofreciendo una potencial vía para manipular el comportamiento topológico de emocionantes formas nuevas. Sin embargo, aún no se había encontrado un material adecuado que tuviera una inversión de banda y también una red de magnetización intrínseca, hasta el momento. En un artículo publicado en la revista Physical Review X, un equipo internacional liderado por universidades e institutos de investigación en Würzburg y Dresden, ha informado sobre la primera realización de dicho material.

El telururo de manganeso y bismuto MnBi₄Te₇ es miembro de la recientemente descubierta familia de heteroestructuras naturales que exhiben comportamientos antiferromagnéticos y topológicos. Aplicando una variedad de técnicas experimentales a cristales individuales de alta calidad de MnBi₄Te₇, el equipo de investigación ha descubierto su complejo comportamiento magnético con estados magnéticos competitivos en función de la temperatura (Fig. 1). Para caracterizar las propiedades electrónicas y magnéticas, se han utilizado tanto técnicas basadas en radiación sincrotrón como técnicas de laboratorio, en particular, la espectroscopía de fotoemisión en ángulo resuelto (ARPES) en Diamond Light Source, Advanced Light Source y Petra III-Desy, así como el dicroísmo circular y linear magnéticos con rayos X (XMCD y XMLD) en ALBA. La técnica ARPES y los cálculos teóricos han confirmado la presencia de una estructura de banda invertida. Al enfriar los cristales a unos pocos grados por encima del cero absoluto, se ha identificado un régimen donde una red de magnetización de la muestra coincide con la presencia de un estado superficial topológico (Fig. 2). Dicha fase no se había realizado previamente en ningún material estequiométrico (es decir, compuestos cuyas proporciones elementales son proporciones de números naturales). Los experimentos de XMLD y XMCD en la línea de luz del ALBA han sido claves para probar directamente los estados antiferromagnéticos y ferromagnéticos que MnBi4Te7 adopta en función de la temperatura (Fig. 3).

Estos resultados son un avance importante en la búsqueda de nuevas clases de materiales topológicos. Gracias a sus versátiles propiedades magnéticas y electrónicas, el establece una plataforma de material única para la realización de fenómenos cuánticos topológicos ajustables. Esto proporciona unas perspectivas fascinantes para la creación de efectos cuánticos en materiales.

Fig.1 Izquierda: (a) Estructura de MnBi4Te7 con capas alternativas de Bi2Te3 y MnBi2Te4. Átomos de Mn en verde, Bi en azul, Te en naranja. (b) Cristales crecientes de As. Derecha: diagrama esquemático de la fase topológica de MnBi4Te7. El esquema refleja las tendencias experimentales observadas: un estado paramagnético correlacionado por encima de TN es seguido por una fase antiferromagnética que a temperaturas más bajas evoluciona a un estado magnético con un fuerte componente ferromagnético. El texto en rojo resalta las posibles topologías no triviales.

Fig2. Espectroscopía de las propiedades magnéticas en . (d) Datos de XMCD y (e) de XMLD por (0001) obtenidos en el borde de absorción Mn L2,3 con luz polarizada circularmente (RCP y LCP) y linealmente (LV y LH), respectivamente. Las mediciones se realizan en geometrías de incidencia de luz normal (NI) y rasante (GI), tal como se ve en el recuadro (d). Las señales de XMCD se muestran para un campo externo (0H = 6 T) a lo largo de la dirección de incidencia de la luz y para condiciones remanentes (0H = 0 T) a T = 2 K. (e) Los datos de XMLD sin campo externo se muestran para diferentes temperaturas.

Amb la col·laboració de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia. El Sincrotró ALBA forma part de la xarxa d'Unitats de Cultura Científica i de la Innovació (UCC+i) de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia (FECYT) i ha rebut suport a través del projecte FCT-20-15798.